整体结构梁加工方案的优化思考探讨范文

摘要：对整体结构梁原加工方案进行分析，针对各项弊端问题提出优化方案和解决措施，改进机床夹具、刀具、量具和加工参数，归纳零件的数字化制造过程，总结出一套适用于相似件的优质、高效的数字化加工方法。

关键词：钛合金；整体结构梁；加工方案；优化；改进

1序言

钛合金因其密度小、比强度高及耐蚀性强等特点，近年来在航空制造业中得到了广泛的应用。然而在实际加工中，由于钛合金材料弹性模量小、化学活性高等特点，所以极易造成回弹严重、刀具寿命短及切削效率低等问题，降低了钛合金的可加工性。某整体结构梁是某方向舵结构主要承力部件，属于典型的钛合金腹板梁类结构零件，双面槽腔、窄槽、耳片及配合槽口等复杂结构众多，为典型的AB面加工零件。实际加工中，毛料为模锻件，均匀余量3mm，加工周期15天，表面质量差，尺寸精度质量风险高，需合理优化现有加工方案，从而实现优质高效加工。

2整体结构梁结构及加工中存在的问题

整体结构梁零件外廓尺寸为150mm×180mm×810mm，材料为钛合金，为典型腹板梁类结构，其局部特殊结构如图1所示。该整体结构梁原需三坐标立式铣床、五坐标立式铣床、常规铣床、钳工和镗工等共5个工序重复周转加工，其加工流程为：三坐标立式铣床→五坐标立式铣床→钳工→三坐标立式铣床→五坐标立式铣床→铣工→钳工→镗工。分析原加工流程及加工后的零件实物，主要存在3方面问题。

（1）加工周期长加工时间长、周转多，周期长达15天。

（2）表面质量差腹板转角处接刀棱0.3～0.5mm；铣工接刀棱明显，铣工加工部分与数控接刀棱0.5～1mm。

（3）尺寸精度差加工窄槽口时刀具崩齿严重，经常损坏表面；耳片间距尺寸加工不稳定。

3问题研究及改进措施

3.1针对加工周期长的问题

该零件整体加工周期长达15天，详细分析零件各环节的加工时间（见表1），粗加工时间7天，精加工时间2.5天，周转等待时间共3.5天，钳工1天，铣工0.5天，镗工0.5天，时间主要损耗在粗加工和周转等待上。据此，主要从两方面制定改进措施。

（1）优化粗加工程序研究原粗加工程序，其编制应用的毛料为余量5mm的B状态锻件，而目前实际加工使用的毛料是改进后的3mm余量的B状态锻件，原程序空走刀比例高达40%～50%，而现有钛合金加工刀具已经更新，原φ63mm规格的可换刀片铣刀进给速度560mm/min已经无法满足现需求。据此进行如下改进：①对粗加工程序进行优化，重新编制两面粗加工浅切程序，识别毛料由原5mm余量模锻件改为现有的3mm余量模锻件。②优化φ63mm规格可换刀片铣刀的浅切粗加工参数，进给速度由560mm/min提升为1200mm/min，转速同步更改为950r/min。检验改进后的程序，其运行时间由原来的126h缩减至68.4h，时间缩短极为显著，效率提升明显。

（2）优化工序安排，减少周转详细分析加工流程，以规整流程、减少周转为目标：①目前由于数控加工五坐标设备已非瓶颈设备，故将原三坐标加工程序转至五坐标设备加工，并将部分粗加工程序重新利用五轴编程，减少空走刀。②将原30工序钳工中加工的基准孔及倒角加工，转至20工序五坐标立式铣床加工，新编数控加工程序，加工时间约2h。梳理后，加工流程明显缩减，改进后的流程为：五坐标立式铣床→铣工→钳工→镗工。统计改进后的加工周期，约为：1＋1＋2.8＋1.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＋0.5＝9.3（天），周期缩短近40%，基本满足了目前该尺寸规格零件的加工周期计划。

3.2针对表面质量差的问题

零件表面质量差主要体现在两个方面：腹板表面质量差和铣工接刀棱明显。在机械加工过程中，零件加工表面质量对零件配合性能、疲劳性能、磨损性能和使用寿命有很大影响［1］，必须重视并解决。针对这两个问题，分析其原因并制定解决措施如下。

（1）腹板表面质量差该整体结构梁属于典型的槽腔梁类零件，腹板表面是零件表面的主要组成部分，以往数控加工完成后，钳工需根据腹板切伤处深度打磨整个腹板，以保证腹板表面要求的平面度≤0.1mm，影响了腹板的表面质量和性能。对比实物情况及刀具轨迹，发现所有腹板切伤均是在拐角处产生的，分析原因为拐角处刀轴急停变向产生颤动，导致腹板切伤。为此，提出在拐角处增加圆弧的方案进行改进，改进前后的刀具轨迹如图2所示，加工后的实物效果对比如图3所示。该方法适用于几乎所有槽腔零件腹板的精加工，能够有效避免刀轴急停颤动造成的腹板切伤问题，大幅改善了零件腹板机械加工后的表面质量，实现了腹板数控加工后的零打磨。

（2）铣工接刀棱明显分析铣工加工表面与数控加工表面形成接刀棱的主要原因，是因为铣工精度无法达到数控精度级别，为保证零件表面不发生切伤，刻意预留部分余量，所以导致与数控加工表面无法接平，产生较大接刀棱。常规加工的此项劣势目前无有效措施可以解决，依据最优解原则，初步计划将常规加工部分（补铣槽口、切断全部凸台两处工作量）仅保留部分凸台连接筋切除，其余均转换为五坐标数控加工。构建凸台连接筋，保证其在满足测量及镗孔强度要求的情况下，尽量短和薄，优化后，凸台连接筋如图4所示，四周全部新编数控程序切削，两侧留绿色较薄连接筋，后续常规铣削，实现了常规加工面积最小，从而减少接刀棱范围的目标。槽口位置如图5所示。数控精铣槽口部分，原槽口因高度尺寸大、槽口距离小，仅能使用现有的φ8mm整体硬质合金刀具加工，因刀具直径小、刚性差，加工槽口让刀严重，槽口顶部、底部差值超过0.5mm，致使槽口尺寸保证困难。据此，根据槽口尺寸14.1mm特性，申请采用φ13mm的非标铣刀加工槽口。使用新铣刀加工槽口，刀具刚性显著提升，数控加工后槽口顶部和根部尺寸差值不超过0.05mm，实现了槽口稳定、高效的数控加工；取消了常规铣削补加工槽口工步，规避了常规加工中槽口形成大量接刀棱的问题。

3.3针对尺寸精度差的问题

零件尺寸差主要体现在两个方面：槽口刀具崩齿损坏表面，导致耳片间距尺寸不稳定。尺寸精度要求是设计要求中最为重要的技术条件，理论上稳定批量生产加工零件不允许出现影响尺寸精度要求的元素。针对这两个问题，分析其造成的原因并制定解决措施如下。

（1）耳片间距尺寸不稳定通过前述申请采用专用非标刀具，优化数控程序，已经实现了耳片间距尺寸的稳定加工，该问题得以解决。

（2）槽口刀具崩齿损坏表面原工艺在粗铣中部耳片间距槽口时，使用B1-273（φ16mm铣刀）径向分层轴向满刀的加工方式，切削深度43mm，径向分层间距1mm，进给速度72mm/min，但实际过程中经常出现打刀现象。经分析发现原有加工方式在进出刀过程中加工余量较大，加之轴向满刀加工，易对切削刃产生较大磨损，从而产生折刀现象，损伤槽口表面。据此引入圆弧铣切工艺方法，依然采用径向分层轴向满刀的加工方式，但自始至终均采用弧形加工轨迹，径向分层间距0.8mm，进给速度80mm/min。工艺优化前后加工轨迹对比如图6所示。弧形加工轨迹进出刀相互覆盖，使刀具加工余量保持均匀，提高了刀具的加工稳定性。虽然因层间距减小而导致加工轨迹增加，但此种加工方法使进给速度提高且无需转角降速，总体上达到了减小刀具损耗且不增加加工时间的效果，最为重要的是避免了刀具崩齿现象的发生，有效保证了槽口的表面质量。

4工艺实施效果

工艺解决措施全面实施后，取得显著效果，具体如下所述。1）加工周期由15天减少至9.3天，周期缩短近40%。2）腹板表面质量显著提升，铣工接刀棱消除90%，钳工打磨工作量减少约70%，大幅提升了零件表面质量。3）耳片间加工改为数控加工，提升加工稳定性；新的圆弧分层加工工艺方法实现了槽口稳定切削，大幅降低质量风险。

5结束语

零件的结构工艺分析是指在满足使用和设计要求的前提下，分析加工制造的可行性和经济性的过程[2]。围绕某整体结构梁零件结构进行工艺方案和加工策略的优化，使得零件加工效率和产品质量得到了显著提升，为后续优质、高效和批量生产加工该零件提供了有力的技术支持和保障。

参考文献：

[1]王丽萍.机械加工表面质量的工艺分析及改善方法研究[J].科技与创新，2017（6）：34-35.

[2]王国彪，刘中.钛合金壳体件数控加工工艺研究[J].现代制造技术与装备，2012（2）：34-34，43.

作者：孙国雁 张旺 赵军 单位：航空工业沈飞（集团）有限公司